Energetyka wiatrowa

Energetyka wiatrowa

Energetyka wiatrowa stała się znaczącym źródłem energii elektrycznej w całej Europie. Na koniec roku2025 moc zainstalowana wyniosła 304 GW. W Polsce mamy ok. 10.5 GW zainstalowanej mocy. Dzieje się tak z prozaicznego powodu – zasoby energii wiatru są niewyczerpalne, ponieważ wiatr jest tak naprawdę przekształconą formą energii słonecznej. 

Wiatr wywołany jest przez różnicę ciśnień między poszczególnymi strefami cieplnymi Ziemi oraz przez siłę Coriolisa, związaną z jej ruchem obrotowym. Jego energia kinetyczna przekształcana jest w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych. Szacuje się, że na terenie Polski istnieją odpowiednie warunki dla wykorzystania energii wiatru, produkcja energii elektrycznej może sięgnąć nawet 17% bilansu energetycznego kraju. Oczywiście rozkład prędkości wiatru uzależniony jest od warunków topograficznych. Z naturalnych względów elektrownie wiatrowe lokalizowane są najczęściej w pobliżu akwenów wodnych. 

W naszym kraju oznacza to, że wiatraki powinny być budowane głównie na północy kraju, gdzie występuje problem niedostatku energii, której źródła są na południu.

Do obliczania zasobów energetycznych wiatru potrzebne są dokładne wieloletnie pomiary meteorologiczne. W pierwszym etapie ocenia się zasoby regionalne (w mezoskali), a dopiero potem, po uwzględnieniu wielu czynników, w skali lokalnej. Takie zasoby zobrazowane zostały na poniższej mapie.

Strefy energetyczne wiatru w Polce w mezoskali

Budowa i zasada działania elektrowni wiatrowej

Elektrownia wiatrowa (EW) to urządzenie zamieniające energię ruchu mas powietrza w energię ruchu obrotowego wirnika elektrowni. Dzieje się tak na skutek odpowiedniego ukształtowania łopat wirnika − strumień wiatru opływający powierzchnię górną przebywa drogę dłuższą niż strumień wiatru opływający powierzchnię dolną. Pomiędzy górną a dolną powierzchnią łopaty wytwarza się różnica ciśnień, której efektem jest ruch obrotowy wirnika. Przekształca on energię wiatrową w energię mechaniczną, przekazywaną następnie do generatora wytwarzającego energię elektryczną. Podstawowe wyposażenie nowoczesnej elektrowni wiatrowej przedstawiono na poniższej ilustracji.

Uproszczony schemat budowy siłowni wiatrowej

Wirnik elektrowni wiatrowej osadzony jest na wale wolnoobrotowym, którego obroty poprzez skrzynię przekładniową przekazywane są do wału szybkoobrotowego. Ten z kolei połączony jest wałem generatora produkującym energię elektryczną. Najczęściej wirnik obraca się z prędkością 15–30 obr./min., czyli z prędkością kilkaset, a nawet tysiąckrotnie mniejszą niż generator, dlatego jednym z elementów siłowni wiatrowej jest skrzynia przekładniowa. Istnieją jednak również turbiny wiatrowe bez przekładniowe.

Klasyfikacja elektrowni wiatrowych

Istnieją dwie podstawowe kategorie klasyfikacji elektrowni wiatrowych – ze względu na moc oraz orientację osi obrotu. 

Ze względu na moc siłownie wiatrowe dzielimy na:

• Mikroelektrownie wiatrowe – o mocy poniżej 100 W. Używa się ich najczęściej do ładowania baterii akumulatorów w miejscach, gdzie sieć elektroenergetyczna nie występuje lub względy zewnętrzne wskazują konieczność wykorzystania innego źródła energii.

• Małe elektrownie wiatrowe – o mocy od 100 W do 50 kW. Elektrownie z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach. W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie 3–5 kW.

• Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kW) – stosowane są przede wszystkim do wytwarzania energii elektrycznej, którą sprzedaje się do sieci elektroenergetycznej.

Ze względu na orientację osi obrotu turbiny wiatrowe dzielimy na:

• Turbiny o  pionowej osi obroty (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine)

W porównaniu z turbinami o poziomej osi, turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu wykonują pracę niezależnie od kierunku wiatru, a przy tym nie wymagają zatrzymania przy wiatrach huraganowych. Przeznaczone są głównie na tereny zurbanizowane (korytarze/tunele powietrzne – np. między budynkami) − nie tylko ze względu na swoją estetykę, cichą pracę, ale również z uwagi na niewielką prędkość początkową wiatru (już od 2 m/s), przy której zaczynają wytwarzać prąd. Ważnym ich atutem jest również praca wirnika, która nie generuje drgań przenoszonych bezpośrednio na budynek.

• Turbiny o  poziomej osi obrotu (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine)

Turbiny o poziomej osi obrotu są najbardziej rozpowszechnionymi elektrowniami na rynku (ok. 95%). Posiadają one klasyczne łopaty, których w danej turbinie może występować różna liczba, najpopularniejsze są jednak turbiny trójpłatowe. Ten typ elektrowni wiatrowej znajduje zastosowanie przede wszystkim w instalacjach dużej mocy, jak na rysunku prezentującym jej budowę.

Schemat turbin o pionowej (VAWT) i  poziomej (HAWT) osi obrotu